專(zhuān)利名稱(chēng)：一種激光基質(zhì)晶體材料及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光基質(zhì)晶體材料及其制備方法和應(yīng)用，具體說(shuō)，是涉及一種具有折射率負(fù)溫度系數(shù)的激光基質(zhì)晶體材料及其制備方法和應(yīng)用，屬于光電材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光基質(zhì)晶體材料是激光技術(shù)發(fā)展的核心和基礎(chǔ)，在激光技術(shù)發(fā)展的各個(gè)關(guān)鍵階段均起了舉足輕重的作用20世紀(jì)60年代第一臺(tái)紅寶石(Cr = Al2O3)晶體激光器問(wèn)世，激光誕生；70年代摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)晶體問(wèn)世，使固體激光開(kāi)始大力發(fā)展；80年代摻鈦藍(lán)寶石(Ti=Al2O3)晶體問(wèn)世，使超短、超快和超強(qiáng)激光成為可能，飛秒(fs)激光技術(shù)蓬勃發(fā)展并滲透到各個(gè)基礎(chǔ)和應(yīng)用研究領(lǐng)域；90年代摻釹釩酸釔(NchYVO4)晶體問(wèn)世，使固體激光的發(fā)展進(jìn)入新時(shí)期-全固態(tài)激光技術(shù)；進(jìn)入21世紀(jì)，激光基質(zhì)材料在單晶、玻璃、光纖、陶瓷等4方面迅猛發(fā)展?！盁崛荨奔す狻ⅰ俺臁奔す獾刃赂拍?、新技術(shù)也不斷涌現(xiàn)，“流體”、“納米”、“有機(jī)”、“光子晶體”激光等面臨突破，受到各國(guó)政府、科學(xué)界乃至企業(yè)界的高度重視。目前，已知的激光基質(zhì)晶體材料包括鋁酸鹽系列，釩酸鹽系列，硅酸鹽晶體系列， 鎢酸鹽系列，氧化物晶體系列，鹵化物晶體系列，半導(dǎo)體晶體系列等多達(dá)數(shù)十種，但就其應(yīng)用范圍和廣度來(lái)說(shuō)，釔鋁石榴石(YAG)，釩酸釔(YVO4),藍(lán)寶石(Al2O3)是最富盛名的激光基質(zhì)晶體，它們?cè)炀土恕叭蠡A(chǔ)激光晶體”:釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)晶體-中、高功率激光； 摻釹釩酸釔(Nd:YV04)晶體-低功率小型化激光；摻鈦藍(lán)寶石(Ti=Al2O3)晶體-可調(diào)諧、超快激光。但是，釔鋁石榴石(YAG)、釩酸釔(YVO4)等晶體由于其本身的正的折射率溫度系數(shù)，在激光輸出過(guò)程中存在嚴(yán)重的熱透鏡效應(yīng)，對(duì)激光性能的多個(gè)方面都產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，如諧振腔的穩(wěn)定性、腔模尺寸、模式耦合率、輸出光束質(zhì)量等，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致晶體破裂；因此，消除熱透鏡效應(yīng)成為激光技術(shù)發(fā)展的一個(gè)研究重點(diǎn)，各種補(bǔ)償裝置和補(bǔ)償方法被提了出來(lái)(CN200410025705、CN200510094465、CN200810051540、CN03106472 等)，但是并不能從根本上消除激光晶體的熱透鏡效應(yīng)，尋找一種具有負(fù)折射率溫度系數(shù)的激光基質(zhì)晶體材料才是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述問(wèn)題和需求，本發(fā)明的目的是提供一種具有負(fù)折射率溫度系數(shù)的激光基質(zhì)晶體材料及其制備方法和應(yīng)用，以解決現(xiàn)有的激光基質(zhì)晶體材料存在的熱透鏡效應(yīng)的缺陷問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供的激光基質(zhì)晶體材料，具有如下通式=(ScxYh)2SiO5，其中0 < χ < 1。作為優(yōu)選方案，所述的激光基質(zhì)晶體材料中摻雜有三價(jià)稀土離子。作為進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述的激光基質(zhì)晶體材料中摻雜有0. 5 2. Oat. %的三價(jià)稀土離子。
所述的三價(jià)稀土離子選自％3+、Nd3+、Er3+、Tm3+、H03+中的任意一種或幾種的組合。一種所述的激光基質(zhì)晶體材料的制備方法，包括如下步驟a)按照化學(xué)計(jì)量比稱(chēng)取各組分，混合均勻并壓制成型，然后進(jìn)行煅燒；b)采用提拉法進(jìn)行晶體生長(zhǎng)。所述的各組分為含有的各元素的氧化物。所述的煅燒條件推薦為在1200 1600°C煅燒10 20小時(shí)。采用提拉法進(jìn)行晶體生長(zhǎng)的條件推薦為使用銥金(Ir)坩堝，采用<010>方向 Y2SiO5(YSO)晶體為籽晶，生長(zhǎng)氣氛為N2,氣壓在0. 02 0. 06Mpa ；原料熔融溫度為1900 2000°C，晶體提拉速度為0. 5 2. Omm/h，轉(zhuǎn)晶速率為15 20rpm，生長(zhǎng)10 20小時(shí)后以 0. 5 1. 0°C /min的降溫速率降至室溫。由于本發(fā)明提供的激光基質(zhì)晶體材料具有負(fù)折射率溫度系數(shù)，能夠消除激光輸出過(guò)程中的熱透鏡效應(yīng)，有利于激活離子的寬帶發(fā)光，因此，所述的激光基質(zhì)晶體材料可應(yīng)用于制備激光二極管(LD)或泵浦的波長(zhǎng)可調(diào)諧或超短脈沖的全固態(tài)激光器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的激光基質(zhì)晶體材料具有負(fù)折射率溫度系數(shù)，能夠有效解決現(xiàn)有的激光基質(zhì)晶體材料存在的熱透鏡效應(yīng)的缺陷問(wèn)題，而且具有優(yōu)良的熱力學(xué)性能，可應(yīng)用于制備激光二極管(LD)或泵浦的波長(zhǎng)可調(diào)諧或超短脈沖的全固態(tài)激光器；另外，本發(fā)明的制備方法簡(jiǎn)單，制備周期短，使用的原料價(jià)廉易得，且無(wú)需特殊設(shè)備，適合規(guī)?；a(chǎn)，具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。


圖1是實(shí)施例1制得的4at. % Tm3+: (Sc0.5Y0.5) 2Si05晶體材料的XRD譜圖；圖2是實(shí)施例1制得的4at. % Tm3+: (Sca5Ya5)2SiO5晶體材料在200 2000nm波段的室溫吸收光譜圖；圖3是實(shí)施例1制得的4at. % Tm3+: (Sca5Ya5)2SiO5晶體材料在1500 2200nm波段由808nm激光二極管(LD)激發(fā)的室溫發(fā)射光譜圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)、完整地說(shuō)明。實(shí)施例1按照化學(xué)計(jì)量比稱(chēng)取Tm20324. 93 克，Sc203106. 90 克，&03175. 03 克，Si&93. 15 克，
充分混合并壓制成型；將壓制成型的原料置入馬弗爐中于1600°C煅燒10h，得到Tm3+摻雜的硅酸釔鈧多晶原料。將得到的多晶原料置入單晶爐中，采用提拉法進(jìn)行晶體生長(zhǎng)使用尺寸為 Φ 60mmX 40mm的Ir坩堝，用<010>方向YSO晶體為籽晶，采用隊(duì)(0. 06MPa)氣氛；控制原料熔融溫度為2000°C，晶體提拉速度為1. 5mm/h，轉(zhuǎn)晶速率為20rpm，生長(zhǎng)IOh后以0. 8°C /min 的降溫速率降至室溫，即得到透明的激光基質(zhì)晶體材料Mat. % Tm3+: (SC(1.5Ya5)2Si05。圖1是本實(shí)施例制得的4at. % Tm3+: (Sca5Ya5)2SiO5晶體材料的XRD譜圖，由圖1 可見(jiàn)所制得的晶體材料具有單斜相結(jié)構(gòu)。將制得的^t. % Tm3+: (Sca5Ya5)2SiO5晶體材料切割并光學(xué)拋光后測(cè)試室溫吸收、
4發(fā)射光譜，泵浦源采用發(fā)射波長(zhǎng)位于808nm的激光二極管(LD)。圖2是本實(shí)施例制得的^t. % Tm3+: (Sca5Ya5)2SiO5晶體材料在200 2000nm波段的室溫吸收光譜圖，由圖2可見(jiàn)該晶體材料的3H6 — 3H4能級(jí)躍遷吸收范圍為730 840nm，能夠很好地與808nm激光二極管(LD)泵浦源相匹配，其峰值吸收截面為1. 01 X IO^1Cm2，大于現(xiàn)有的晶體材料Tm-SSO :0. 555 X 10cm2 (App 1. Phys. Lett. ,96(2010) :121908) > Tm-Gd3Ga5O12 1. 01 X 10_2Clcm2 (J. Alloys and Compounds, 475 (2009) 555-559)、Tm-Y3Al5O12: 0. 75 X l(T20cm2 (IEEE J. Quantum Electron.， 24(1988)924-933)、Tm-YAlO3:0. 922 X 10_2Clcm2 (J. Alloys Compd. ,453(2008)482-486)、 Tm-LiGdF4: 0. 78 X 10_20cm2 (Ε | | c) (Applied Physics B, 96 (2009) 363-368)， Tm-Sr3Y (BO3) 3:0. 61 X KT20Cm2(Ji) (J. Alloys and Compounds, 481 (2009) 354-357) 圖3是本實(shí)施例制得的4at. % Tm3+: (Sca5Ytl 5)2SiO5晶體材料在1500 2200nm 波段由808nm LD激發(fā)的室溫發(fā)射光譜圖，由圖3可見(jiàn) — 3H6發(fā)光譜線為平滑的單峰曲線，發(fā)射光譜的峰值波長(zhǎng)位于1887 μ m，半高寬為2^nm，適于進(jìn)行激光鎖模和寬帶調(diào)諧； 其峰值發(fā)射截面為2. 7X IO-21Cm2 ；與現(xiàn)有的晶體材料=Tm3+-Gd3Ga5O12為1. 05X 10_21cm2CJ. Alloys and Compounds, 475 U009) 555-559)、Tm3+-LaF3 為 2· 5 X l(T21cm2 (IEEE J. Quantum Electron. ,28 (1992) 2619-2630)、Tm3+-Y3Al5O12 為 2. 2 X l(T21cm2 (IEEE J. Quantum Electron. ,28(1992)2619-2630)相比較，該晶體材料具有較大的發(fā)射截面，可應(yīng)用于制備全固態(tài)可調(diào)諧和超快激光器件。采用自準(zhǔn)直法測(cè)量晶體的折射率溫度系數(shù)，具體方法是將晶體制成Littrow棱鏡放在溫度波動(dòng)小于士 l°c的爐子內(nèi)，該爐子置于精度為2弧秒的32J測(cè)角儀的平臺(tái)上， 利用光強(qiáng)穩(wěn)定的 0. 4880 μ m Ar+激光、0.63 μ m He-Ne 激光、1. 0795 μ m 和 1.;3414μπι NdiYAlO3連續(xù)激光、1. 0640 μ m Nd: YAG激光做測(cè)量光源測(cè)量尋常光和異常光折射率ne，η。。 利用上述系統(tǒng)在不同溫度點(diǎn)(>4)和波長(zhǎng)(>4)下測(cè)量晶體的折射率，通過(guò)解％1111^化1· 方程叫2 = AJBiZT λ LCJ-DiX2, (i =不同溫度)得到常數(shù)Ai, Bi, Ci, Di的值。由得到的不同溫度下的Sellmeier方程，可計(jì)算相應(yīng)溫度下不同波長(zhǎng)的折射率，方程適用范圍是 0. 4880-1. 3414 μ m。假定Sellmeier系數(shù)與溫度成線性關(guān)系，這樣Sellmeier系數(shù)可表示為=A(T) = aT+p ；B (T) = bT+q ；C (T) = cT+r ；D (T) = dT+s ；然后通過(guò)最小二乘法做一元線性回歸，計(jì)算得到所有相關(guān)系數(shù)；將Sellmeier系數(shù)帶入Sellmeier方程并求對(duì)T求導(dǎo)數(shù)，
得到折射率溫度系數(shù)計(jì)算公式為與
權(quán)利要求
1.一種激光基質(zhì)晶體材料，其特征在于，具有如下通式(ScxYh) 2Si05，其中0 < χ < 1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光基質(zhì)晶體材料，其特征在于所述的激光基質(zhì)晶體材料中摻雜有三價(jià)稀土離子。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光基質(zhì)晶體材料，其特征在于所述的激光基質(zhì)晶體材料中摻雜有0. 5 1. Oat. %的三價(jià)稀土離子。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的激光基質(zhì)晶體材料，其特征在于所述的三價(jià)稀土離子選自％3+、Nd3+、Er3+、Tm3+、H03+中的任意一種或幾種的組合。
5.一種權(quán)利要求1所述的激光基質(zhì)晶體材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟a)按照化學(xué)計(jì)量比稱(chēng)取各組分，混合均勻并壓制成型，然后進(jìn)行煅燒；b)采用提拉法進(jìn)行晶體生長(zhǎng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光基質(zhì)晶體材料的制備方法，其特征在于所述的各組分為含有的各元素的氧化物。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光基質(zhì)晶體材料的制備方法，其特征在于所述的煅燒條件是在1200 1600°C煅燒10 20小時(shí)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光基質(zhì)晶體材料的制備方法，其特征在于，采用提拉法進(jìn)行晶體生長(zhǎng)的條件是使用銥金(Ir)坩堝，采用<010>方向ISiO5晶體為籽晶，生長(zhǎng)氣氛為 N2,氣壓在0. 02 0. 06Mpa ；原料熔融溫度為1900 2000°C，晶體提拉速度為0. 5 2. 0謹(jǐn)/ h，轉(zhuǎn)晶速率為15 20rpm，生長(zhǎng)10 20小時(shí)后以0. 5 1. 0°C /min的降溫速率降至室溫。
9.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述的激光基質(zhì)晶體材料制備的激光二極管(LD)。
10.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述的激光基質(zhì)晶體材料制備的泵浦的波長(zhǎng)可調(diào)諧或超短脈沖的全固態(tài)激光器。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種激光基質(zhì)晶體材料及其制備方法和應(yīng)用。所述的晶體材料具有如下通式(ScxY1-x)2SiO5，其中0＜x＜1。該晶體材料的制備包括如下步驟首先按照化學(xué)計(jì)量比稱(chēng)取各組分，混合均勻并壓制成型，然后進(jìn)行煅燒；再采用提拉法進(jìn)行晶體生長(zhǎng)。本發(fā)明提供的激光基質(zhì)晶體材料具有負(fù)折射率溫度系數(shù)，能夠有效解決現(xiàn)有的激光基質(zhì)晶體材料存在的熱透鏡效應(yīng)的缺陷問(wèn)題，而且具有優(yōu)良的熱力學(xué)性能，可應(yīng)用于制備激光二極管或泵浦的波長(zhǎng)可調(diào)諧或超短脈沖的全固態(tài)激光器；另外，本發(fā)明的制備方法簡(jiǎn)單，制備周期短，使用的原料價(jià)廉易得，且無(wú)需特殊設(shè)備，適合規(guī)?；a(chǎn)，具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)C30B29/34GK102400223SQ201110350989
公開(kāi)日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月9日
發(fā)明者徐軍, 李紅軍, 王慶國(guó), 蘇良碧, 鄭麗和 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所